JP4374349B2

JP4374349B2 - 撮像素子冷却容器

Info

Publication number: JP4374349B2
Application number: JP2006096684A
Authority: JP
Inventors: 美文下平; 信夫中村; 友範水野
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007274288A

Description

本発明は、撮像素子（イメージセンサ）を透明窓を有する容器内に収容し、冷却した状態で動作させることができる撮像素子冷却容器に関する。

高感度のＣＣＤ撮像において、素子の冷却は必要不可欠であり、ＣＣＤ撮像素子の冷却が行われる。しかし、低温にすることにより大気中の水分が結露し、受光面が曇り撮像ができなくなる。これらの問題を解決するために、撮像素子の周囲に乾燥した気体を流したり真空容器内に納めるという方法が一般的にとられている（特許文献１〜３）。気体を流す方法では、結露を発生させない為に露点温度が冷却温度以下の乾燥空気を製造する装置が大掛かりになったり、ガスを購入する必要がありランニングコストが高くなる。

一方、ＣＣＤを真空容器に納める方法では、ランニングコストは掛からないがガラスと金属という異なる素材を接合するため、構造や製作精度が悪い場合、使用時の冷却と使用後の常温という温度変化の影響などでひずみが発生しやすく、徐々に真空度が低下して、断熱効果も低下してしまう。そうした場合、結露を発生させてしまうため、再度真空引きを行う必要がある。また、内部の素子が破壊された場合は容器ごと使用できなくなる。
特開平７−７６６８号公報特開平８−２０５００７号公報特開２００２−４０５５４号公報

本発明は、安価で保守が容易な撮像素子冷却容器であること、各種の撮像素子の異なる要請にも対応できること、保守に必要なコストを極力抑えることができることを解決課題とするものである。
本発明の目的は、新規な構成の組み合わせを導入することにより、撮像素子等のイメージセンサの冷却が容易であり、被写体側または容器内の透明板の結露を防止することができ、多岐に渡る応用に対応することができる撮像素子冷却容器を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の撮像素子冷却容器は、
窓開口と底面に底開口を有する金属性の外側容器と、
導電端子群および一端で撮像素子と他端で冷却装置の吸熱部に熱結合する熱伝導性支持部材を、前記導電端子群の一端側を容器内に他端が容器外に、前記熱伝導性支持部材の一端を容器内に他端が容器外に現れるように気密に支持し、前記外側容器の底開口に気密に結合する容器底部と、
前記外側容器の中央の空間を囲い、前記外側容器の内周壁間に断熱空間を形成する内側容器と、
前記窓開口に交換可能に密着させられるガラス窓組立と、から構成されている。

本発明による請求項２記載の撮像素子冷却容器は、請求項１記載の撮像素子冷却容器であって、
前記撮像素子をＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサとすることができ、
前記冷却装置の吸熱部を、ペルチェ素子の吸熱部とすることができ、
前記容器の中央の空間を囲う内側容器と、前記外側容器の内周壁間の断熱空間は、真空空間とすることができ、
前記ガラス窓組立の窓部は窓側の断熱空間を形成する２重ガラス窓組立とすることができる。

本発明による撮像素子冷却容器は、以上のように構成されているから以下のような特有の効果が得られる。
ア．本発明による容器は、撮像素子を真空断熱部に収容しないので、従来の真空封止に起因する問題の発生の余地はない。容器内の結露の問題は解決され、二重窓ガラス構造にすれば表面の結露も防止できる。
イ．撮像素子を取り付けた後、空間を封じる際に、ガラスと断熱容器を接合するのに熱を使わなくて良いので、素子の損傷を防止できる。
ウ．容器内の空間と外部の圧力差が少ないので、封じ切った後は外部より水分等の好ましくない成分の侵入を少なくすることができる。
エ．容器をコネクタのソケットに対応させ、底部を撮像素子の種類別に用意するとすれば、容器を個別に設計しなくて、多品種の撮像素子に対応できる。
オ．撮像素子に不具合が発生しても、交換可能である。

以下図面を参照して本発明による装置の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による撮像素子冷却容器の実施例を示す中央断面図である。本発明による撮像素子冷却容器は内部に円筒状または略矩形状の撮像素子とその接続空間を形成するものである。
外側容器８はアルミを加工したものであり、図中に開口する窓開口と底面に前記開口より小さい底開口が設けられている。窓開口は後述する窓組立を受け、気密に保つためのＯリング４を受ける環状の溝が加工されている。底開口は後述する容器底部１２を受け入れる開口である。

導電端子群１１と熱伝導率の高い銅等の金属棒１３よりなる熱伝導性支持部材は、発泡スチレン等の断熱性および絶縁性に優れた材料よりなる容器底部１２により気密に保持されている。容器底部１２は、前記熱伝導性支持部材（金属棒１３）を一端で撮像素子１４の裏面と熱的に結合可能に、他端で外部の冷却装置の吸熱部１６に熱結合するように、また、導電端子群１１の一端側を容器内に、他端が容器外に現れるように支持して外側容器８の底の開口を密封する。
内側容器１０はアルミ製のつば付筒状体であって、外側容器８の中央の空間１５を囲い、内側容器１０と外側容器８の内周壁間に断熱空間９を形成する。この断熱空間は真空とすることができる。
光学ガラス板５，７およびガラス製２重ガラス封止部３の間に、乾燥した気体（空気または窒素ガス）または真空の空間６が封入されて形成されている２重ガラス窓組立（５，３，７）は、外側容器８の上側開口に落とし込まれて、アルミ製のガラス押さえ板２を複数のボルト１で、気密かつ取り外し可能に固定される。

次に前述の容器の組立の例を簡単に説明する。
Ａ．外側容器８内にアルミ板製の内側容器１０を図示のように落とし込み、取り付けて、上部を溶接またはロウ付けにより接合する。
Ｂ．外側容器８と内側容器１０の下側接合部にロウを乗せ、真空炉に入れ加熱し断熱空間９を真空に封じ切る。
Ｃ．導電端子群１１と熱伝導率の良い銅やアルミ等の金属棒１３を容器底部１２に樹脂等で固定し、容器底部１２を外側容器の底部の開口に密封固定する。
Ｄ．ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサ等の撮像素子１４を前記金属棒１３に固定する。
その際、撮像素子１４と金属棒１３の間に熱伝導を良好にする為に金属のペースト等を塗布、又は金属箔等を挟み込む。
Ｅ．導電端子群１１の必要な端子と、撮像素子１４の必要な端子を電気的に接続する。

Ｆ．光学ガラス板５（外側ガラス）および光学ガラス板７（内側ガラス）間のガラス製２重ガラス封止部３に囲まれた光透過部分の内部空間６に、空気または窒素等の乾燥した気体を充填するか、場合によっては真空として断熱効果を高めて結露を防止する。
金属棒１３の外部からの冷却温度と、乾燥空気または窒素等の気体が封入されている容器内部空間１５内の気体の熱伝導による関係から、図１のような２枚のガラス５，７である必要は必ずしもなく、１枚のガラスでも良い場合がある。
Ｇ．乾燥した空気等の気体の雰囲気中で、Ｅまでの撮像素子の組み込まれた容器と、Ｆのガラスの間をゴムまたは樹脂製Ｏリング４で密閉する。
金属製ガラス押さえ２と金属製ガラス押さえボルト１を使用し、乾燥空気または窒素等の気体が封入されている容器内部空間１５を封じる。

前記撮像素子冷却容器は、容器の金属棒１３の外部部分にペルチェ素子等の冷却装置吸熱部１６を取り付け、撮像素子１４を必要な温度まで冷却し、外部の光学系（図示を省略）を介して被写体を撮像素子に投影して撮像が可能となる。

以上詳しく説明した実施例について本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。図２は、外側容器、容器底部、熱伝導部材の接続態様の変形例を示す部分断面図である。外側容器、容器底部の結合を強固にするために、大量に生産する場合には、外側容器８の内周と熱伝導部材１３の外周にそれぞれ凹凸溝を設けておき、その間に樹脂を流し込んで容器底部１２を一体に成形することができる。
また、さらに他の変形例として、外側容器８の内周と容器底部１２間をねじ結合可能にし、容器底部１２と熱伝導部材１３間もねじ結合可能にすることもできる。この場合は、ねじ結合だけでもある程度の気密性を保つことができるが、気密性を高めるために、接着剤を塗布してもよい。この構成によれば、容器底部１２等の交換が容易になる。

本発明による撮像素子冷却容器は、撮像素子（イメージセンサ等）の冷却が容易であり、被写体側または容器内の透明板の結露を防止することができ、多岐に渡る応用に対応することができるから、各種撮像素子の評価の分野とか、劣悪な環境におけるイメージデータの獲得や、計測の分野に利用できる。

本発明による撮像素子冷却容器の実施例の中央断面図である。外側容器、容器底部、熱伝導部材の接続態様の変形例を示す部分断面図である。

符号の説明

１ボルト
２ガラス押さえ板
３ガラス製２重ガラス封止部
４ゴムまたは樹脂製Ｏリング
５，７光学ガラス板
６乾燥した気体または真空空間
８外側容器
９断熱空間
１０内側容器
１１導電端子
１２容器底部
１３熱伝導部材（金属棒）
１４撮像素子
１５容器内部空間
１６冷却装置吸熱部

Claims

窓開口と底面に底開口を有する金属性の外側容器と、
導電端子群および一端で撮像素子と他端で冷却装置の吸熱部に熱結合する熱伝導性支持部材を、前記導電端子群の一端側を容器内に他端が容器外に、前記熱伝導性支持部材の一端を容器内に他端が容器外に現れるように気密に支持し、前記外側容器の底開口に気密に結合する容器底部と、
前記外側容器の中央の空間を囲い、前記外側容器の内周壁間に断熱空間を形成する内側容器と、
前記窓開口に交換可能に密着させられるガラス窓組立と、から構成した撮像素子冷却容器。
前記撮像素子はＣＣＤまたはＣＭＯＳイメージセンサであり、
前記冷却装置の吸熱部は、ペルチェ素子の吸熱部であり、
前記容器の中央の空間を囲う内側容器と、前記外側容器の内周壁間の断熱空間は、真空空間であり、
前記ガラス窓組立の窓部は窓側の断熱空間を形成する２重ガラス窓組立である請求項１記載の撮像素子冷却容器。